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钫   87Fr
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Uue
外觀
銀白色(預測)
概況
名稱·符號·序數 钫(Francium)·Fr·87
元素類別 碱金属
·週期· 1·7·s
標準原子質量 (223)
電子排布

[Rn] 7s1
2, 8, 18, 32, 18, 8, 1

钫的电子層(2, 8, 18, 32, 18, 8, 1)
歷史
發現 馬格利特·佩里(1939年)
分離 馬格利特·佩里(1939年)
物理性質
物態 液體估計 (有可能為固體,因其熔點的估計值恰位於室溫(25°C)上下)
密度 (接近室温
? 1.87(推算) g·cm−3
熔點 ? 297 K,? 24 °C,? 75 °F
沸點 ? 950 K,? 677 °C,? 1250 °F
熔化熱 約2 kJ·mol−1
汽化熱 ca. 65 kJ·mol−1

蒸汽壓((推算))

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 404 454 519 608 738 946
原子性質
氧化態 1(強鹼性氧化物)
電負性 0.7(鲍林标度)
電離能 第一:380 kJ·mol−1
共價半徑 260(推算) pm
范德華半徑 348(推算) pm
雜項
晶體結構

体心立方(预测)

磁序 順磁性
電阻率 3 µ(計算值) Ω·m
熱導率 15(推算) W·m−1·K−1
CAS號 7440-73-5
最穩定同位素

主条目:钫的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
221Fr 痕量 4.8分鐘 α 6.457 217At
222Fr 人造 14.2分鐘 β 2.033 222Ra
223Fr 痕量 22.00分鐘 β 1.149 223Ra
α 5.430 219At

Francium)是一種化學元素,符號為Fr原子序為87。鈁是電負性最低的元素之一。鈁是一種放射性極高的金屬,會衰變成。和其他鹼金屬一樣,鈁有一顆價電子

從來沒有人製成過可觀量鈁金屬,但根據元素週期表的規律,鈁估計為液態、會反光、呈金屬色。不過該元素的製備極為困難,其衰變發熱(最穩定同位素的半衰期只有22分鐘)會立即氣化所製成的鈁金屬。

1939年,法國科學家馬格利特·佩里發現了鈁元素。這是最後一次在自然界中發現元素,而非經過人工合成。[注 1]鈁在實驗室以外極為罕見,痕量出現在礦石中,其中同位素鈁-223一直在形成和衰變中。地球地殼中只有20至30克的鈁會同時存在。除鈁-223和221以外,其他的同位素都是合成的。實驗室中產生的最大一批鈁元素共有300,000個鈁原子。[1]

特性[编辑]

鈁是所有自然元素中最不穩定的,其最穩定同位素鈁-223的半衰期也只有22分鐘。穩定性第二低的元素半衰期有8.5小時。[2]所有鈁同位素都會衰變為砹、鐳或氡。[2]鈁的穩定性比𨭎(原子序106)以下的所有人造元素都要低。[3]

鈁是一種鹼金屬,化學屬性與相近,[3]同樣只有一顆價電子[4]如果成功製成,液態鈁在熔點的表面張力將為0.05092 N/m。[5]根據計算,鈁的熔點約為24 °C,沸點為677 °C。[6]但由於鈁既罕有又具放射性,所以這些數字並不一定準確。

萊納斯·鮑林估計鈁的電負性為0.7,當時與相同。[7]銫的電負性之後被修正為0.79,但因數據不足,不能同樣地修正鈁的電負性數字。[8]鈁的電離能比銫稍高。[9]

鈁會和多種銫共同沉澱,如高氯酸鈁會和高氯酸銫共沉澱,從而分離出鈁。其他能共沉澱的銫鹽包括碘酸銫、苦味酸銫、酒石酸銫、氯鉑酸銫以及矽鎢酸銫。同樣可與鈁共沉澱的有矽鎢酸和高氯酸,而不需要任何鹼金屬載體。[10][11]幾乎所有鈁鹽都可溶於水。[12]

應用[编辑]

鈁由於極為罕見、穩定性低,因此目前還沒有商業應用。[13][14][15][16]它在生物學[17]原子結構等領域的研究中起到了作用。科學家曾提出用鈁來診斷各種癌症[2]但這一用途並不現實。[14]

鈁可以被合成、捕捉和冷卻,而且原子結構簡單,因此它被用在一些光譜學實驗中,在能級亞原子粒子間的耦合常數上提供了新的信息。[18]對鈁-210離子在激光捕捉下所發出的光譜的研究指出,鈁的實際原子能級符合量子理論的預測。[19]

歷史[编辑]

1870年,化學家就開始猜想以下存在著一種尚未發現的鹼金屬,原子量為87。[2]當時人們稱其為「eka-銫」。[20]多個研究團隊嘗試發現並分離出這種新元素,在真正發現之前,至少出現了4次錯誤發現。

錯誤或不完整的發現[编辑]

蘇聯化學家D. K. 多布羅謝爾多夫(Dobroserdov)是第一位聲稱發現了鈁的科學家。1925年,他在一個樣本中觀察到弱放射性,錯誤地認為這是87號元素所造成的。實際上放射性來自自然產生的鉀-40[21]他而後發佈了一篇有關預測87號元素的屬性的論文,當中將其以他的國家俄羅斯(Russia)命名為Russium。[22]不久後,多布羅謝爾多夫開始專注於他在敖德薩理工學院的教學工作,而並沒有繼續研究這一元素。[21]

翌年,英國化學家傑拉爾德·德魯斯(Gerald J. F. Druce)和費德里克·羅林(Frederick H. Loring)分析了硫酸錳X-光片,[22]以為觀察到的光譜線來自於87號元素。他們發佈了這項發現,把該元素命名為Alkalinium,因為它是最重的鹼金屬(alkali metal)。[21]

1930年,美國阿拉巴馬州理工學院的弗雷德·艾利森(Fred Allison)在用磁光儀器研究銫榴石鋰雲母後,聲稱發現了87號元素,並建議以他的家鄉佛吉尼亞州(Virginia)命名為Virginium,符號Vi或Vm。[22][23]然而在1934年,伯克利加州大學的H. G. 麥佛森(H. G. MacPherson)證明艾利森的儀器是無效的,並且推翻了他的發現。[24]

1936年,羅馬尼亞物理學家霍里亞·胡盧貝伊(Horia Hulubei)與法國物理學家伊維特·哥舒瓦(Yvette Cauchois)也研究了銫榴石,使用的是高解析度X-光儀器。[21]他們觀察到幾條弱發射光譜線,以為它們來自87號元素。胡盧貝伊和哥舒瓦發佈了這項發現,並以胡盧貝伊的誕生地羅馬尼亞摩爾達維亞省(Moldavia)命名為Moldavium,符號為Ml。[22]1937年,美國物理學家F. H. 赫士(F. H. Hirsh Jr.)對胡盧貝伊的研究手法進行了批判。赫士非常肯定87號元素不會在自然界中發現,並聲稱胡盧貝伊觀察到的其實是的X-射線光譜線。胡盧貝伊堅持自己的X-光儀器和實驗方法足夠準確,他的發現不可能是錯誤的。胡盧貝伊的導師,諾貝爾獎得主讓·佩蘭也支持他的發現。馬格利特·佩里在1939年確實發現鈁之後,一直都批評胡盧貝伊的研究,直到自己被承認為鈁的正式發現者為止。[21]

佩里的發現[编辑]

1939年,法國巴黎居里研究所馬格利特·佩里在純化-227的時候,發現了鈁元素。錒-227的衰變能量應該是220 keV,但佩里卻觀察到衰變能量低於80 keV的粒子。她認為這些異常的衰變活動源自尚未發現的一種衰變產物。這種產物在純化過程中已經被分離出去,而是在純錒-227樣本中自然產生的。經過一系列測試之後,她消除了這種未知同位素是的可能性。該產物具有鹼金屬的屬性(比如可以和銫鹽共沉澱等),佩里因此判斷這就是錒-227經α衰變所產生的87號元素。[20]

佩里把這一新同位素命名為錒-K(今天則稱鈁-223),[20]又在1946年提出正式命名Catium,因為她相信這種元素正離子(cation)的電正性是所有元素中最高的。佩里的其中一位導師伊雷娜·约里奥-居里反對這一命名,因為Catium一字更像是「貓元素」(cat),而非正離子。[20]佩里繼而建議用法國(France)來命名為Francium,也就是鈁的現名。國際純粹與應用化學聯合會在1949年接納了這一名稱。[2]鈁也成為了繼之後第二個以法國命名的元素。鈁最初的符號為Fa,但不久後便改為Fr。[25]鈁是1925年被發現後,最後一個在自然界中發現的元素。[20]歐洲核子研究中心在1970年代至1980年代間進一步研究了鈁的結構。[26]

存量[编辑]

這一塊瀝青鈾礦在同一時間含有大約10萬顆鈁-223原子(3.3×10-20 g)。[14]

自然[编辑]

錒-227經α衰變之後,會產生鈁-223,因此鈁以痕量存在於礦石中。[3]在一個鈾樣本中,估計每1×1018個鈾原子就有一個鈁原子。[14]根據計算,地球的地殼中,同一時間只有約30克鈁。[27]

合成[编辑]

鈁可以通過以下核反應合成:

197Au + 18O → 210Fr + 5 n

這一過程可以產生鈁-209、210和211,[28]產物再由磁光阱分離出來。[29]氧束的能量會影響同位素的形成速率。實驗所用的金目標體必須在接近熔點的溫度下,而且表面必須完全沒有雜質。核反應會把鈁原子嵌入目標體的深處,原子再迅速移動到表面,以離子的形式釋放出來。靜電透鏡把鈁離子引導至一個金屬片的表面,這時鈁離子會變回中性原子。激光束和磁場再對原子進行冷卻和控制。原子在磁光阱中只會停留20秒左右,之後逃脫或衰變,但新的原子會不斷替代這些失去了的原子。這一過程使原子數量在1分鐘之內大約不變。首次進行這項實驗時,科學家捕捉了1000個鈁原子。在不斷改進後,實驗最終能夠捕捉超過30萬個鈁原子。[1]捕獲到的鈁原子處於鬆散氣體狀態,當數量足夠多的時候,鈁發出的螢光就可以在攝影機上留下影像。影像呈球體,直徑約為1毫米。這是鈁首次被人類直接看到。研究人員這時就可以準確地測量鈁所釋放及吸收的亮光,從而給出原子能級躍遷的實驗數據。初步結果表明,實驗數據與量子理論所預測的相吻合。

鈁的其他合成方法有,用中子撞擊鐳,或以質子原子核或離子撞擊釷。[30]

同位素[编辑]

鈁共有34個同位素,原子量從199到232不等,[3]另有7種亞穩態同核異構體[3]自然產生的只有鈁-223和鈁-221,其中鈁-221罕見得多。[31]

鈁-223是最穩定的同位素,半衰期為21.8分鐘。[3]再發現或合成半衰期更長的鈁同位素的可能性極低。[30]鈁-223是衰變系的第五個產物,是錒-227的子同位素。[16]鈁-223會再β衰變為鐳-223(衰變能量為1149 keV),另有0.006%的α衰變路徑,產物為砹-219(衰變能量為5.4 MeV)。[32]

鈁-221的半衰期為4.8分鐘。[3]它是衰變系的第九個產物,是錒-225的子同位素。[16]鈁-221會再α衰變成砹-217(衰變能量為6.457 MeV)。[3]

基態最不穩定的同位素是鈁-215,半衰期只有0.12 μs。它會α衰變為砹-211,能量為9.54 MeV。[3]其亞穩態同核異構體鈁-215m的穩定性則更低,半衰期只有3.5 ns。[33]

備註[编辑]

  1. ^ 一些人造元素後來也被發現在自然界中,如

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Luis A. Orozco. Francium. Chemical and Engineering News. 2003. 
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  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC. 2006: 12. ISBN 0-8493-0474-1. 
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  9. ^ Andreev, S.V.; Letokhov, V.S.; Mishin, V.I.,. Laser resonance photoionization spectroscopy of Rydberg levels in Fr. Physical Review Letters. 1987, 59 (12): 1274–76. Bibcode:1987PhRvL..59.1274A. doi:10.1103/PhysRevLett.59.1274. PMID 10035190. 
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外部鏈接[编辑]